CC BY
36
© В.А. Зыков, 2003
YAK 622.234.5
В.А. Зыков
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЭКОГЕОФИЗИКА: АКТ"АЛЬНОСТЬ, ОБЩНОСТЬ И РАЗЛИЧИЯ
Введение.
Аудитории данного журнала хорошо известны идеи и подходы ФХГ, одним из основоположников которой является профессор В.Ж. Аренс [1, 2]. В развитие целевых установок ФХГ средствами физических полей мы обосновываем аналогичное направление в прикладной геофизике (ПГ), получившее название техноэкогеофизики (ТЭГ) [6, 14]. В этой связи для популяризации идей, методов и возможностей ТЭГ в среде горняков возникла необходимость сравнения ФХГ и ТЭГ по основным показателям. Цель этого сравнения не столько отыскание различий, сколько подтверждение их единых корней и фундаментальной основы с целями идейного и ме-тодико-инструментального взаи-мосовершенствования. При этом, учитывая профессиональный состав аудитории, каких-либо предваряющих дефиниций из области ФХГ давать не будем.
Дефиниции и парадигма ТЭГ. Техногеофизика и/или техноэкогеофизика (впервые термины обоснованы в [6] по аналогии с геотехнологией [1] и техногеологией [7]), ведущая свое начало со специфических проблем нефтегазового дела - интенсификации добычи и повышения нефтеотдачи пластов, объединяет научнотехнические разработки в области дистанционного воздействия на пласт (геосреду вообще, а также другие объекты добычи и переработки в более широком толковании) физическими полями различной природы. Нацеленная на создание промышленных технологий подготовки, извлечения, обогащения и глубокой переработки на базе управляемых геофизических воздействий на геосреду, она только формирует
свою парадигму (концепцию, принципы, теорию, методы, технологии) на стыке разных наук и дисциплин, но может представлять качественный скачок в развитии технологий добычи и утилизации полезных ископаемых.
Идея использования физических полей для воздействия на горные породы, битумный и нефтяной пласт и т.п. не нова. Использование физических полей в горном деле, главным образом для разрушения пород и интенсификации физико-химических процессов также известно давно. Одним из первых исследователей, обосновавшим физические явления и эффекты взаимодействия полей с горными породами, был академик В.В. Ржевский [12]. В нефтегазовой инженерии в начальный период предпочтение отдавалось электрическим методам воздействия на призабойные зоны скважин. Позднее наибольшие успехи достигнуты в методах упругих волн. При этом воздействия физическими полями рассматривались как альтернатива «вещественным» методам увеличения нефтеотдачи (МУН) - гидроразрыву, нагнетанию пара, химическим реагентам и т.п. Несмотря на длительное применение физических полей в интенсификации добычи и МУН, достаточную разработанность многих вопросов эти методы развивались обособленно как частые технологические решения, не объединенные какой-либо парадигмой и не связанные с проблемами развития геофизики.
Можно дать следующее определение ТЭГ [14]. Техноэкогеофизика - научно-практическое направление прикладной геофизики, которое исследует и реализует процессы техногенного воздействия физическими поля-
ми разной природы на геологическую среду, в т.ч. раздельно на ее фазоминеральные компоненты, собственные поля, само полезное ископаемое и технологические объекты разработки с целью избирательного, управляемого, целенаправленного изменения их физико-химических свойств в естественных условиях (“in situ”) и практически значимых объемах пространства при минимальной деструкции окружающей среды для эффективного и полного извлечения полезных ископаемых, их первичной переработки и т.д.
Целевые установки и экологическое содержание. Не останавливаясь более на дефинициях, можно привести «матричную» структуру ТЭГ, наиболее схематично описывающую ее сущность. Из приведенного определения ТЭГ, а также ФХГ как науки [2, с.10], можно заключить, что объектно-целевые установки обоих направлений если не идентичны, то во многом коррелируемы (если основным объектом воздействия в ТЭГ понимать геосреду, а не только УВ пласт). Удобнее проиллюстрировать это на примере экологической направленности обеих дисциплин. В ФХГ эта направленность
явно и неявно «просвечивает» из ее основных идей [1, 2]. Актуальность экологической составляющей ТЭГ также очевидна и включает по крайней мере 4 компонента [14]. Во-первых, в самих постановках, преследуя цели более полного извлечения полезного ископаемого из недр, более глубокой его переработки и т.д., ТЭГ уже несет экологическую “нагрузку” в смысле рационального недропользования. Во-вторых, достигается это за счет более чистых, “бездефектных” полевых геотехнологий с минимальным эффектом “последействия”. В-третьих, полевые воздействия по аналогичной схеме применимы к экологически опасной среде с целями ее “трансформации и деструкции”, например, к отходам горного производства, нефтезагрязненным объектам и др. для их очистки и утилизации. И, наконец, в-четвертых, использование высокоэнергетических
полей с задачами преобразования (в отличие от малоэнергетических информационных воздействий) предполагает исследование всех процессов ТЭГ для непосредственной защиты человека от техногенных полей, охраны природной и геологической.
Таким образом, оба технологические направления освоения минеральных ресурсов не только предлагают и реализуют технологии рационального (комплексного, малоотходного, малодеструктивного) использования недр, но и предлагают и используют «санационную» функцию (рецик-линг и утилизацию отвалов и т.п.). В недропользовании это особенно важно, т.к. вредные воздействия на природу от эксплуатации месторождений очень велики, а отходы горного производства составляют большую часть суммарных отходов всех производств мира.
Историко-генетические корни. Геотехнология, представляя относительно новое направление горного дела и горной науки, является продуктом их. Это своего рода «эмержентный» результат «соединения химии, физики, геологии, горного дела» [14, с.13]. При этом конечная цель ФХГ практически без изменения наследуется от горного дела: добыча и переработка полезных ископаемых. Другое дело, что конкретные задачи и средства ее достижения в существенном трансформируются. ТЭГ также является новым «симбиозом» научных дисциплин - геофизики, геотехнологии и техногеологии, горного дела, геоэкологии и др. Современная геофизика сама является «сложной» наукой и именно через нее происходит «подпитка» ТЭГ фундаментальными знаниями: физики, математики, геологии, техники, информатики. Однако в контексте ее генезиса дело обстоит иначе. «Классическая» ПГ является сферой услуг, «информационным сервисом» в ГРР. В ТЭГ делается по существу лишь следующий логический шаг: почему не использовать воздействие тем же физическим полем на те же объекты не столько для извлечения информации об их параметрах и состоянии, а для
целенаправленного изменения их физико-химических свойств. Разумеется, энергетические характеристики физических полей могут и должны отличаться от таковых в ПГ. Это автоматически открывает перед геофизикой возможность решения новых задач в области добычи, транспорта и переработки полезных ископаемых и расширяет сферу ее применения на новую отрасль производства - горное дело, включая нефтегазодобычу. Следовательно, в отличие от ФХГ, формирование ТЭГ представляет расширение области применения «сервисной» ПГ на объекты и цели горного дела (в первую очередь нефтегазодобычи). Таким образом, несмотря на разные «источники» и пути формирования, оба эти направления имеют общую (примерно одинаково формулируемую) конечную цель
- качественный «прорыв» или НТП в технологиях добычи, транспортировки и переработки полезных ископаемых. Оба они, являясь по сути междисциплинарными, представляют примеры новой, проблемной организации науки, которая предполагает группировку знаний не дисциплинам, а по социально значимым проблемам, требующим решения и обеспечивающим прогресс науки и производства.
Средства и особенности. Большинство наук о Земле незначительно различаются по объектам и целям исследований. Значительно больше конкретизирует существо геологических наук предмет и связанные с ним средства исследований. Здесь сосредоточены главные особенности каждой науки. А с другой стороны - следует искать те конструктивные идеи, которые могут привести к взаимообогащению или синтезу, (рождению) новой дисциплины на «стыке» наук. Таковыми, по нашему мнению, являются ФХГ и ТЭГ. В ФХГ «ставка» делается на химическую, включая биологическую технологию. Говоря языком геотехнологии, «рабочим агентом» здесь является вещество - химические реагенты. Физическому полю, участие которого также предполагается, отводится подчиненная роль катализатора хи-
мических процессов. При этом [14, с.15] «физическое воздействие должно быть направлено на внутренние степени свободы реагирующих частиц, для преодоления энергетического барьера». «Догеотехнологический» этап развития горного дела можно назвать «механохимическим», когда продукт добывается из недр в виде кусковатой массы и лишь на поверхности при дальнейшей переработке приобретает новые качества. В этом смысле ФХГ, несомненно, серьезный шаг в смене принципов горного производства.
Уникальностью геофизики, отличающей ее от других геонаук, является использование ею в качестве средства исследований физических полей - специфичной, энерго- и информационнонасыщенной, в то же время мобильной субстанции. Недоступность большинства объектов геонаук для непосредственного наблюдения и уникальная дистанционная способность полей, включая «дальнодействие», обеспечили современной геофизике особое место в науках о Земле, сделали ее единственным инструментом экспериментальных глубинных исследований в теоретической и прикладной геологии. В этой связи есть основания полагать, что и в новых задачах добычи и переработки минерально-сырьевых ресурсов вообще, в ФХГ и ТЭГ в частности, с помощью физических полей удастся достичь аналогичного результата
- создать принципиально новые, экспрессные, экологически щадящие и энергосберегающие геотехнологии. Это потребует серьезных усилий и средств по созданию соответствующей научной и материально-технической базы, свойственных сложному процессу движения от идеи до ее технологической реализации. ТЭГ выдвигает техногенные физические поля в качестве основного «рабочего агента». Это влечет некоторые неоспоримые преимущества перед традиционными «вещественными» технологиями, которые сгруппированы в таблице и в особых комментариях вряд ли нуждаются.
ОЧЕВИАНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА "ПОЛЕВОГО" ГЕОФИЗИЧЕСКОГО ВОЗАЕЙСТВИЯ НА ГЕОСРЕАУ
Параметры технологий Краткая характеристика
1. Безреагентность Отсутствие надобности в дорогостоящих химических веществах (кислота, растворители, ПАВы и т.п.)
2. Дистанционность Безконтактность, “близко”- и “дальнодействие”
3. Избирательность Избирательность воздействия на различные фазы многофазной среды и избирательность извлечения полезных компонентов
4. Управляемость Оперативная контролируемость времени и интенсивности воздействия, скорости процессов и т.д. на основе обратной связи
5. Технологичность Безмашинность, малооперационность, возможность автоматизации и т.д.
6. Легкость Гибкость, мобильность и “ювелирность” технологии
7. Тонкость Возможность воздействия на атомном и субатомном (ядерном) уровнях
8. Комбинируемость Возможность одновременного (параллельного) воздействия на разные фазы разными полями, в т.ч. комбинированно с (вещественными) методами
9. Экологичность “Бездефектность”(обратимость “последействия”) для геологической среды, малая деструктивность для окружающей среды, комфортность
10. Экономичность Как правило, меньшая стоимость и трудозатратность
Синергетический подход. В
докладе В.Ж. Аренса [14] особое место занимают новые взгляды на будущее горного дела и ФХГ, навеянные синергетическими представлениями И. Пригожина и др. Действительно, синергетика становится на современном этапе лидером в развитии естествознания и играет все большую роль в геонауках. Разделяя эти воззрения, кратко проиллюстрируем, какие преимущества сулят физические поля. В «классической» геофизике используются, в основном, линейные представления о физических полях и физической модели Земли.
Исследования последних десятилетий привели к новым представлениям о геофизической модели Земли: ее неоднородности, нелинейности, локальной неустойчивости, активной роли в генерации физических полей и т.п. Это обеспечило развитие нелинейной геофизики [4, 11], а также необходимость нового фундаментального понятия геофизической среды [13, 9], характеризующейся тремя фундаментальными свойствами - изменяемостью во времени, нелинейностью, активностью. Она обладает также энергонасыщенностью, иерархическим неоднородным строением - «кусковатостью» (самоподобием, «фрактально-стью») горных пород. В ТЭГ понятие геофизической среды является чрезвычайно важным, если учесть, что она одновременно активна во всех своих частях. Твердая, жидкая и газовая фазы
- единая система, компоненты которой взаимосвязаны энергетическими переходами, особенно активными на границах фаз. С позиции диссипативных структур И. Пригожина и синергетической организации литосферы в целом как термодинамически открытой системы, именно такая среда (система) активна в смысле самоорганизации.
Очевидно, что речь идет о деструктивных процессах, в каком-то смысле «обратных» естественным эволюционным процессам формирования месторождений. Такие нетривиальные особенности самоорганизации наверняка потребуют и нетривиальных решений. В технологической реализации даже «классических» синергетических систем заметных успехов пока не достигнуто. В дальней перспективе можно и нужно ориентироваться на возникновение «зеленой» технологии, которая строилась бы на тех же принципах самоорганизации, что и живая природа. Пока же, при господстве традиционно «серой» технологии, можно говорить о целенаправленном конструировании техногенных систем, использующих некоторые принципы самоорганизации («синергизм» и др.). Физические поля в синергетическом подходе имеют весьма конструктивную роль. Их энергетическая функция при воздействии на систему может меняться от собственно трансформационной («рабочий агент») до «катализаторной», когда энергия поля тратится на поддержа-
ние неравновесного состояния системы, являющегося непременным условием самоорганизации. В этом случае энергетические параметры полей могут быть значительно ниже, поскольку «работает» собственная внутренняя энергия среды.
Состояние технологий. О современном состоянии технологий воздействия, в основном, при эксплуатации месторождений УВ, можно судить по монографиям [3, 5, 8, 10] и сборнику [14]. Эти технологии занимают пока незначительную часть в общем комплексе МУН, где явно преобладают сегодня методы физикохимического воздействия - ГРП, реагентно-химические обработки и т.п., которые можно отнести к ФХГ в нефтегазовой инженерии. Наибольшее распространение имеют технологии воздействия на ПЗП (реже пласт) из скважин акустическими методами [5, 10, 14]. Интенсивно развиваются технологии комбинированного «вещественно- полевого» воздействия, сочетающие в себе методы ТЭГ и химические, которые существенно повышают эффективность последних. Это «точка взаимного роста» технологий ФХГ и ТЭГ для дальнейшего сближения. В качестве успешного примера использования ТЭГ непосредственно в ФХГ можно привести работы по интенсификации процесса СГД [5].
Заключение. Стратегической линией развития отечественной науки является ориентация на наукоемкие направления и тех-
нологии, в которых у нас пока сохраняются приоритеты. ТЭГ с полным основанием может быть отнесена к таким направлениям в науках о Земле, развитие которой при соответствующих при-
оритетах со стороны государства, может «вытащить» геофизику, технологии нефтегазодобычи и переработки, некоторые направления горного дела и др. на мировой уровень. Настоящие срав-
нения показывают, что между ФХГ и ТЭГ в главном гораздо больше общего, чем различий. Это может служить хорошим базисом их приоритетного развития на основе взаимообогащения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых (геотехнология). - М.: Недра, 1986. - 297 с.
2. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология. -М.: МГГУ, 2001. - 656 с.
3. Вахитов Г.Г., Симкин ЭМ. Использование физических полей для извлечения нефти из пластов. - М.: Недра, 1985. - 231 с.
4. Вопросы нелинейной геофизики. - М.: ВНИИЯГГ, 1981. - 188 с.
5. Дыбленко В.П. и др. Повышение продуктивности и реанимации скважин с применением виброволнового воздействия. - М.: Недра, 2000. - 381 с.
6. Зыков В.А, Грунис Е.Б., Дроздов А.В. Техноэкогеофизика - новые эффективные технологии освоения, добычи и переработки минеральных ресурсов XXI века (методология, теория, приоритетные прикладные направления) // Республика Коми. Научно-техническая политика. - Сыктывкар, 1997. - С. 175-178.
7. Калинко М.К. Техногеология: актуальность и приоритетные направления развития // Советская геология. -1989, № 11. - С. 3-10.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------
8. Кузнецов О.Л, Ефимова С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. - М.: Недра, 1983. -192 с.
9. Кузнецов О.Л, Симкин ЭМ. Преобразование и взаимодействие геофизических полей в литосфере. - М: Недра, 1990. - 269 с.
10. Кузнецов О.Л, Симкин ЭМ, Чилингар Дж. Физические основы вибрационного и акустического воздействия на нефтегазовые пласты. - М.: Мир, 2001. - 260 с.
11. Проблемы нелинейной сейсмики. - М.: Наука, 1987. - 288 с.
12. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: Недра, 1967. - 288 с.
13. Садовский М.А. Геофизика и физика взрыва. Избранные труды.- М.: Наука, 1999. - 335 с.
14. Техноэкогеофизика - новые технологии извлечения минерально-сырьевых ресурсов в XXI веке / Материалы I Всероссийской конференции-ярмарки / Под ред. акад. РАЕН О.Л. Кузнецова. - Ухта: УГТУ, 2002. - 256 с.
Зыков В.А. - профессор, кандидат технических наук, Ухтинский государственный технический университет.
© В.Л. Колибаба, Ф.Ф. Киреев, Е.А. Калиш, В.С. Ульяненко,
А.В. Пинчук, 2003
УАК 622.234.5
В.Л. Колибаба, Ф.Ф. Киреев, Е.А. Калиш, В.С. Ульяненко, А.В. Пинчук СКВАЖИННАЯ ГИАРОАОБЫЧА РЫХЛЫХ РУА ИЗ ГЛУБОКОЗАЛЕГАЮШИХ ЖЕЛЕЗОРУАНЫХ МЕСТОРОЖАЕНИЙ КМА СИСТЕМОЙ С МАССОВЫМ ОБРУШЕНИЕМ РУАНОГО МАССИВА
Применение способа скважинной гидродобычи
(СГД) выступает с техно-
логической точки зрения в качестве альтернативы только подземному способу отработки, т.к.
освоение глубокозалегающих месторождений КМА принципиально возможна только этими двумя способами. Однако с более широких позиций, предполагающих повышение эффективности инвестиций в освоение железорудной базы, следует также рассматривать и варианты открытой отработки запасов сравнительно бедных руд, залегающих на относительно меньших глубинах.
В последнее время к перспективам освоения железных руд КМА, как не окисленных кварцитов, доступных для открытого способа отработки, так и глубокозалегающих месторождений
